Chapitre 2

Chapitre 2
Les onduleurs de tension
en commutation commandée
1. PRINCIPE DE BASE D’UN ONDULEUR DE TENSION MONOPHASE
BUT : génération d’une onde de tension ayant des caractéristiques spécifiques d’amplitude de
fréquence et de contenu harmonique. Un onduleur est donc une source de tension contrôlable
en amplitude fréquence et « forme ». De par sa structure mettant en œuvre au moins deux
cellules de commutation bidirectionnelles en courant, l’onduleur de tension est réversible à
condition que la source DC d’entrée le soit. L’essentiel des applications consiste à générer une
onde de tension sinusoïdale. Selon le type d’application, ceci nécessite d’adjoindre parfois un
dispositif de filtrage. Les grands domaines d’application concernent :
La variation de vitesse de machines alternatives en traction électrique ou dans des
applications industrielles : amplitude et fréquence doivent être variables, le contenu
harmonique de l’onde doit être minimisé.
L’absorption sinusoïdale et correction du facteur de puissance : les normes
harmoniques imposent que les équipements connectés au réseau rejettent un faible
niveau d’harmonique et par ailleurs l’onde de courant peut être mise en phase avec
l’onde de tension d’entrée pour atteindre un facteur de puissance unitaire. Un
onduleur de tension utilisant ses propriétés de réversibilité muni d’une commande
adaptée permet ces fonctionnalités.
Chaîne d’énergie d’une locomotive BB 27000
L’exemple présenté à la figure ci-dessus illustre ces deux premier aspects : on note la
présence de deux onduleurs de tension, l’un monophasé en entrée qui assure une absorption
quasi-sinusoïdale de courant, le second triphasé qui permet l’alimentation de la machine
asynchrone de traction à tension et fréquence variable.
Les alimentations de secours : il s’agit de reconstituer un réseau à partir d’une source
DC, fréquence et amplitude sont fixes, le contenu harmonique doit être extrêmement
faible, c’est un critère important. La figure ci-dessous présente un exemple
d’utilisation d’onduleurs triphasé pour reconstituer le réseau de bord 400V/50Hz sur
une locomotive BB 27000 à partir de la tension DC 1500V. On notera la présence de
filtres (L) en sortie destinés à éliminer les harmoniques de tension.
• Hacheur abaisseur 1800 540V, F =600Hz
• Onduleur à F =50Hz, MLI calculée 7 angles,
d
s
95kVA, ρ=85%
• Onduleur à F variable (Fs =12,5Hz)
• IGBT onduleurs : 1200V 200A
• Protection par thyristor crow-bar
s
min
1.1. La structure élémentaire de l’onduleur de tension
Pour obtenir une tension alternative, on a vu qu’il fallait utiliser une cellule de commutation et
un pont capacitif à point milieu, la dynamique de la tension aux bornes de la charge est
limitée, elle évolue entre +/- E/2. On utilise plutôt deux cellules de commutation en mode
différentiel, comme représenté ci-dessous.
structures d’un onduleur de tension monophasé à une cellule et point milieu capacitif
ou à deux cellules de commutation
On remarque que les interrupteurs sont bidirectionnels en courant, ce qui est nécessaire
puisque le courant de sortie l’est systématiquement. Cette propriété confère donc un
comportement de réversibilité en puissance de la structure.
dans tous les cas, les états des interrupteurs sont complémentaires avec parfois un temps mort
destiné à éviter la conduction simultanée du bras.
1.2. Modes de fonctionnement des cellules avec hypothèse de courant
sinus en sortie
On suppose que les interrupteurs sont commandés en pleine onde (fréquence de la tension de
sortie = fréquence du courant de charge) et que la charge filtre suffisamment le courant de
sortie pour qu’il soit quasi-sinusoïdal, c’est par exemple le cas d’un récepteur fortement
inductif. Dans ce régime, l’onde de courant peut être en avance ou en retard de phase par
rapport à l’onde de tension. Les interrupteurs étant bidirectionnels en courant, ils possèdent
une commande d’amorçage lorsque le courant est en avance, au blocage pour le courant en
retard et mixte lorsque le déphasage peut changer de signe.
exemple de commande pleine onde avec courant en avance (a) et en retard (b)
Certaines applications utilisent ce mode de fonctionnement dans des applications à haute
fréquence où il serait difficile d’ajouter de sur-moduler la commande, c’est par exemple le cas
en chauffage par induction.
En régime de modulation de largeur d’impulsion, la fréquence de l’onde de tension est
différente de la fréquence du courant de charge (voir figure ci-dessous). Ce mode de
commande est utilisé généralement quand l’onde de courant doit être à basse fréquence. Il en
résulte que les interrupteurs doivent obligatoirement posséder une commande d’amorçage et
de blocage.
exemple de commande en modulation de largeur d’impulsion
On rappelle que la tension de sortie et le courant absorbé peuvent s’exprimer grâce à la
fonction de modulation de:
Vs(t)=E.Fm(t)
Ie(t)=Is.Fm(t)
La fonction Fm est définie par :
Fm(t) = fm1(t)-fm2(t)
Où fm1(t) et fm2(t) sont les fonctions de modulation de chaque cellule de commutation.
Pour un onduleur constitué de deux cellules de commutation, on définit :
la commande bipolaire si fm2=1-fm1
la commande unipolaire si fm2>fm1 ou fm2<fm1
La figure suivante présente ces deux principes de modulation.
commande pleine onde unipolaire
commande pleine onde bipolaire
L’intérêt de la commande unipolaire est de permettre la variation de la valeur efficace de la
tension de sortie par décalage des deux fonctions de modulations fm1 et fm2.
Modélisation de l’onduleur
La structure d’onduleur réalise une double fonction de multiplication vis-à-vis des grandeurs
d’entrée et de sortie, le modèle du convertisseur est représenté par :
E
Ie
E
X
Vs
onduleur
Fm(t)
Is
Ie
Is
X
Fm(t)
modèle de l’onduleur
Il est facilement implantable dans les modèles de commande de machine pour étudier par
exemple le fonctionnement d’un système complet.
1.3. Deux modes de génération de la tension de sortie
La tension de sortie d’un onduleur peut être obtenue de deux façons :
- par modulation de largeur d’impulsion,
- par modulation de niveau,
Ces deux techniques impliquent des différences dans la complexité de la structure et dans le
contenu harmonique de la tension de sortie résultante.
Figure a : Modulation de largeur d'impulsion, structure
et spectre correspondants
Figure b : modulation par niveau, structure et spectre
correspondants
Dans le cas de la modulation par largeur d’impulsion, le spectre harmonique résultant est
composé du fondamental à la fréquence Fs et de ses raies BF (zone BF), suivi de raies
harmoniques centrées autour des multiples de la fréquence Fd, leur amplitude dépendant de la
valeur de E (partie HF).
Un résultat similaire est obtenu dans le cas de la modulation par niveau, avec le double intérêt
d’une décroissance de harmoniques HF en relation avec E/n et d’une fréquence apparente de
commutation de nFs (et ses harmoniques multiples) donc plus favorable que dans le premier
cas. Les structures mises en œuvre sont toutefois beaucoup plus complexes, comme on le
verra plus loin, ce qui constitue un désavantage.
Enfin, il est possible de mixer les deux principes : appliquer une commande MLI à une
structure multi-niveaux, comme représenté ci-dessous.
Principe mixte : MLI + multi-niveaux
1.4. Mécanismes de transfert de puissance
Plaçons-nous dans le cas simple de la modulation pleine onde (courbes de gauche sur la figure
ci-dessous) et supposons que le courant de sortie soit sinusoïdal et déphasé de ϕ par rapport
au fondamental de fm, noté (fm)F, donc par rapport au fondamental de la tension de sortie. (on
iE = Fm(t).is)
rappelle que : Vs = Fm(t).E et
Si on examine la puissance absorbée sur le bus AC (<Vs.Is>), trois modes de fonctionnement
peuvent alors apparaître :
iE
Vs
E
Bus DC
onduleur
Bus AC
Is
fm(t)
conventions de notation et d’orientation des grandeurs
a) −π/2 < ϕ < π/2 (courbe a)
La puissance active délivrée par l'onduleur est positive et transite depuis la source continue
vers le source alternative. L'observation de iE fait effectivement apparaître une valeur
moyenne positive. On se trouve dans un mode de fonctionnement tout à fait classique.
b) ϕ = ±π/2 (courbe b)
La puissance active fournie par l'onduleur est nulle. Par contre, il y a présence de puissance
réactive fondamentale positive ou négative selon le signe de ϕ. L'onduleur, vis-à-vis de la
source alternative, peut fonctionner comme un compensateur d'énergie réactive. La valeur
moyenne du courant absorbé sur la source E est nulle. Celle-ci pourrait se résumer à un
condensateur.
c) π/2 < ϕ < 3π/2 (courbe c)
La puissance active délivrée par l'onduleur est négative et transite depuis la source alternative
vers la source continue. La valeur moyenne de iE est effectivement négative. L'onduleur
fonctionne alors comme un redresseur.
Les différents régimes de fonctionnement de l’onduleur selon le signe
et la valeur du déphasage des grandeurs de sortie
Ce différents cas correspondent aux grandes classes d’applications de la fonction onduleur :
-transfert de puissance classique : l’onduleur est utilisé en conversion DC/AC, c’est le cas de
l’alimentation des machines tournantes ou de la génération de secours,
-Redressement MLI : l’onduleur est utilisé en convertisseur AC/DC, la puissance fournie sur
le bus DC est positive (et <0 sur le bus AC car prélevée), le facteur de puissance sur la source
AC est unitaire,
-compensation d’énergie réactive : l’onduleur ne fournit pas de puissance, mais il est possible
de contrôler l’énergie réactive échangée (ϕ =+/−π/2)en signe et en amplitude,
-compensation d’harmoniques : à la fonction précédente, on peut associer la fonction de
compensation des harmoniques en contrôlant la « forme » du courant absorbé sur le bus
AC par une MLI adaptée : il est ainsi possible d’annuler les termes harmoniques en ligne.
Ces modes de fonctionnements sont parfaitement reproduits dans le cas de commandes
modulées comme le montrent les courbes de droite sur la figure précédente.
2. ONDULEURS DE TENSION MLI
2.1. principes des MLI bipolaires ou unipolaires, doublement de fréquence
La modulation de largeur d’impulsion (MLI) d’une cellule de commutation est obtenue par
comparaison d’un signal triangulaire (porteuse) qui détermine la fréquence de découpage avec
le signal de modulation. Plusieurs techniques existent selon que le signal triangulaire soit
symétrique ou non (dent de scie monte ou descendante) et selon que le signal de référence est
échantillonné ou non. La figure suivant présente une MLI centrée (signal triangulaire
symétrique) et échantillonnée : le signal modulant est bloqué en début de période à la valeur
atteinte par la sinusoïde de référence à la demi-période du signal triangulaire. L’exemple
représente la cas d’une MLI triphasée (seuls deux fonctions de modulation sont représentées),
les fonctions de modulation des cellules 1 et 2 sont décalées de T/3 et on a représenté la
modulation résultant fm12(t).
Exemple de MLI symétrique échantillonnée pour une phase d’un onduleur triphasé
Le tableau suivant présente les différentes stratégies de MLI basées sur le principe présenté
au-dessus. On distingue les modulations bipolaires des unipolaires (voir au 1.2) et les cas
modulés (colonne de droite) ou non modulé (colonne de gauche). Différentes possibilités pour
obtenir une modulation unipolaire sont exposées dans le tableau :
-cas a) : une cellule est modulée l’autre non et vice-versa pour l’autre demi-période du signal
modulant, les impulsions sont centrées, d’où une porteuse triangulaire symétrique ;
-cas b) : les deux cellules sont modulées, les impulsions sont centrées à gauche dans la
période de découpage pour les deux fonctions de modulation, ce qui sous-entend que la
porteuse est en dent de scie,
-cas c) : les deux cellules sont modulées. Ce cas est intéressant car on constate que la fonction
de modulation résultante est au double de la fréquence des fonctions de modulation
élémentaires, ce qui est favorable en terme de filtrage, les harmoniques étant décalées d’un
facteur 2 vers les hautes fréquences, la porteuse est triangulaire symétrique.
Ce dernier cas est obtenu en comparant la porteuse Vp(t) avec le signal de modulation Vm(t)
et son complément comme représenté par la figure ci-dessous.
Exemple de MLI intersective simple monophasé à doublement de fréquence
La figure suivante propose un synoptique de commande analogique pour une telle
modulation. A noter que ce principe est transposable à un modulateur numérique.
Exemple de synoptique d’un circuit de MLI intersective à doublement de fréquence
En conclusion, il existe une très grande variété de stratégies de modulation par largeur
d’impulsion, qu’elle soit analogique ou numérique. Les critères qui les président à leur choix
dépendent :
-du contenu harmonique de la tension de sortie souhaité,
-des pertes dans les cellules de commutation (stratégies à minimisation des commutations),
-de la dynamique du fondamental de la tension de sortie (injection d’harmonique 3, voir au
4.7),
-du bruit électrodynamique dans la charge alimentée (moteurs),
-de critères CEM (MLI à doublement de fréquence).
3. ONDULEURS MULTINIVEAU
Comme présenté plus haut, la tension de sortie d’un onduleur peut être obtenue par
associations de plusieurs cellules de commutation en série, la tension de sortie présente donc
plusieurs niveaux. Les intérêts de ce type d’association sont les suivants :
-possibilité d’atteindre une tension de sortie supérieure à la tenue en tension de chaque
interrupteur : Vs=p.Vkmax, ces structures sont donc dédiées aux applications de très forte
puissance et à haute tension (filtrage actif réseau HT, traction électrique, etc..)
-marche dégradée et reconfiguration dynamique possible,
-ondulations de tension et/ou de courant apparentes multipliées par le nombre de niveaux,
3.1. Structures multiniveaux multi-sources
Le principe de base d’un onduleur multi-niveaux est présenté à la figure suivante, il s’agit de
la structure en cascade. Il suppose que les différentes sources Vdc sont galvaniquement
isolées les unes des autres. En pratique, cette obligation complique fortement cette structure,
car chaque source doit être isolée par un transformateur.
Principe de base d’un onduleur multi-niveaux en cascade
La tension de sortie est constituée par N niveaux de tension soit (N-1)/2 cellules d’onduleur
monophasées. Les semi-conducteurs sont dimensionnés pour Vs/(N-1)/2.
Pour éviter le problème précédent de l’isolement des sources, une autre structure est possible,
dans laquelle les tensions secondaires sont mises en série par des transformateurs, comme
représenté sur la figure ci-dessous.
structure d’onduleur polygonal
L’intérêt des onduleurs multi-niveaux réside dans la modularité, les inconvénients résident
dans le transformateur de sortie pour la structure polygonale, mais celui-ci peut être
dimensionné pour une fréquence de découpage élevée et dans celui d’entrée pour la structure
en cascade. Ce transformateur est dimensionné pour les composantes BF des fréquence
d’entrée (structure cascade) ou de sortie (structure polygone).
3.2. Structure NPC
Sur la figure suivante est représentée une cellule à trois niveaux, qui ne nécessite que 2 diodes
supplémentaires et réalise naturellement l'équilibrage des tensions tout en offrant un degré de
liberté supplémentaire. Cette structure est nommée NPC : Neutral Point Clamped, elle est
constituée par une forme d’entrelacement de deux cellules de commutation où les
interrupteurs seraient mis en série. L’objectif est de fournir une tension de sortie supérieure à
la tenue en tension des interrupteurs élémentaires.
Structure de cellule d’onduleur NPC
stratégie de commande d’un bras d’onduleur NPC
version triphasé d’un onduleur NPC à point milieu capacitif unique
Cette structure présente un inconvénient : la tension intermédiaire (idéalement Ec/2) ne peut
être fournie indéfiniment, elle de la tension du point milieu capacitif qui dépend du courant
fourni en sortie. Il faut donc assurer un courant moyen nul dans les capacités du point milieu
et il est donc nécessaire d’intégrer dans la commande un dispositif qui assure ce contrôle.
Les onduleurs NPC constituent un excellent compromis coût /performance dans les
applications nécessitant la mise en série de deux semi-conducteurs. En effet, deux simples
diodes de tenue en tension E/2 permettent d’obtenir une amélioration significative de la
tension découpée.
3.3. Structure multi-niveaux à capacité flottante
La généralisation de ce concept de structure à plusieurs niveaux a été récemment proposée par
les chercheurs du LEEI de Toulouse (1990). L'architecture correspondante (figure ci-dessous)
est basée sur l'imbrication de cellules de commutation, dont la forme élémentaire est "éclatée"
(figure suivante) par rapport à une cellule normale (excepté pour la dernière cellule qui reste
identique).
Structure globale d’un onduleur multi-niveaux à sources flottantes
Cellule intermédiaire de l’onduleur
L'intérêt de ces structures est, d'une part, l'adaptation à la haute tension, chaque cellule étant
dimensionnée pour E/p, si p est le nombre de cellules, d'autre part, la possibilité d'améliorer
grandement, à fréquence de commutation donnée, les formes d'ondes en utilisant des
commandes entrelacées.
Trois relations caractéristiques peuvent être déduites de l'observation de la structure de la
cellule élémentaire :
(1)
vTk + vT'k = E/p
ce qui correspond à la relation obtenue dans une cellule classique alimentée par E/p :
iEk = iTk+1 − iTk
(2)
p
vs =
∑ vT' k
(3)
k=1
Précisons que, tout comme dans une cellule classique, la fermeture simultanée des
interrupteurs d'une même cellule est interdite et que l'interrupteur fermé conduit
obligatoirement le courant de charge.
Si l'on introduit fmk, la fonction de modulation de la cellule de rang k, dont les interrupteurs
sont supposés être commandés en mode complémentaire, les relations 2 et 3 deviennent :
iEk = iTk+1 − iTk = (fmk+1 − fmk)is
p
vs = ∑ vT' k =
k=1
E p
∑ fmk
p k=1
Dans l'hypothèse simplificatrice d'un courant de charge constant, on note que si la fonction
(fmk+1 − fmk) est purement alternative, le courant dans les sources est également alternatif. On
peut alors imaginer de les remplacer par des condensateurs, ce qui rend le montage viable
industriellement. Ceci est également possible si les fonctions de modulations sont identiques
(commandes synchrones), mais l'onde vs est celle d'une cellule unique, ce qui est peu
intéressant.
Le principe de commande le plus intéressant est celui du décalage de la commande des
cellules (entrelacement) d’une valeur Td/p. Les formes typiques des fonctions de modulations
associées à ce type de commande sont données à la figure ci-dessous.
fm1
fmk
1
1
t
1
fm2
t
fmk+1
Td
1
t
1
Td
t
fmp
fmk+1 - fmk
t
Σfmk
1
1
t
p
t p-1
Td/p
Commandes entrelacées
fonction de modulation d’une cellule de
commutation
Dans cette configuration, on retrouve les propriétés de l'entrelacement sur la forme de la
tension de sortie (ondulation de valeur cc E/p et fréquence pF), mais la symétrie du courant
dans les sources est également respectée, dans le cas de rapports cycliques égaux.
Il est important de préciser que ces structures multi-niveaux ne sont viables que si les sources
flottantes sont des condensateurs. Dans cette hypothèse, il ne suffit pas que la condition
élémentaire statique soit vérifiée au niveau des courants dans ces condensateurs, mais il faut
qu'en toutes circonstances, l'équilibrage existe et soit maintenu. Les travaux menés sur ce
problème montrent qu'il existe un étonnant mécanisme d'équilibrage naturel, mais qui doit
être assisté par l'introduction de boucles de régulation et/ou d'impédances de charge
artificielles particulières.
Etude d’un cas industriel : la locomotive BB27000 ALSTOM
Les transparents suivants montrent les usages de la fonction onduleur dans une application de
traction ferroviaire.
Mise en œuvre des onduleurs de tension
Application à un système
Analyse d’un système : Locomotive BB27000
n
n
n
n
n
n
Rappel des contraintes de traction
Contraintes d’exploitation
Schéma de puissance
Les moteurs de traction
Les onduleurs de traction
Les redresseurs MLI
Rappels des contraintes de traction
n
n
Une locomotive doit assurer un service de 30 ans, son cahier des
charges précise
•
la masse à tracter,
•
l'effort au démarrage,
•
le profil de ligne à laquelle elle est destinée,
•
la vitesse maximale.
Ces éléments permettent de définir
•
la caractéristique effort-vitesse : F(V),
•
la puissance,
•
la caractéristique d'adhérence au rail.
Effort de traction et puissance
l'effort total sur les jantes est donné par
Fjante=R + M.g.i + k.M.γγ
üLa résistance à l'avancement R est une fonction de la vitesse : R = A + B.V + C.V²
üM est la masse tractée et i le coefficient de profil en °/°°
üLe coefficient k tient compte de l'inertie des masses tournantes (essieux, roues,
réducteurs, rotors) pour pondérer la masse totale.
üγ est l'accélération que l'on souhaite
le coefficient d'adhérence est défini par
µ=Fjantemax/Ml.g
üMl est la masse de l'engin de traction (90T)
üµ varie de 0,3 à 0,4 jusqu’à 0,1 pour des rails humides, la chaîne
de traction doit pouvoir gérer ce paramètre
La puissance à la jante est donnée par
Pjante=V.Fjante
Le couple sur l'arbre moteur est défini par C=(Fjante.D/2)/(n.η.ρ
η.ρ)
üD est le diamètre de la jante,
ün le nombre de moteurs,
ü η le rendement de transmission
üρ le rapport de réduction de transmission
Caractéristiques de traction de la BB 27000
ü Masse=90T
ü Puissance à la jante 4,2MW soit 1,05MW/essieu
ü Effort de traction à la jante au démarrage 80kN soit 320kN au total
Performances
ü Traction trains lourds 1800T
en rampe à 1%
ü Vitesse maxi 140km/h
Diagramme effort à la jante=f(vitesse)
(train de 900T, rampe 1/100)
Organisation de la chaîne de traction
n
n
n
4 essieux tracteurs à moteurs asynchrone sur 2 bogies
4 chaînes de puissance indépendantes assurant un bon
facteur de mission
Compatibilité 25kV AC et 1500V DC
Motorisation
n
n
n
n
n
n
n
Moteur asynchrone à cage 1050 kW
Tension entre phase : 1400V (U dc=1800V)
Iphase=530A (Udc=1800V)
3 paires de pôles, Ωn=3200 tr/mn ,Fmax=160Hz
Masse : 2660 kg
Couple de démarrage 9560 Nm
Rapport de réduction 23/109~0,211
Couple utile
(daNm)
Tension U12 (V)
Courant stator (A)
FRET SNCF
CARACTERISTIQUES DE REGLAGE EN TRACTION
PAR MOTEUR - U12 = 1388 V
Fréquence (Hz)
1400
160
1200
140
1000
120
100
800
U12 (V)
Ieff (A)
Cu (daNm)
80
600
60
400
40
200
20
0
0
500
1000
1500
2000
2500
Vitesse moteur (tr/min)
3000
0
3500
f (Hz)
Organisation de la chaîne de puissance
n
n
n
Redresseur MLI en entrée pour assurer la réjection d’harmoniques sur le
réseau 25 kV
Freinage rhéostatique
Onduleur de tension triphasé pour la commande moteur
Contraintes normatives de la chaîne de puissance
Réseau 1500V DC
n
n
Norme : Impédance d’entrée à 50Hz> 0,3Ω
inductif
à1,2Ω pour la BB 27000
Filtre d’entrée : type LC, 4mH, 12 mF
Réseau 25 kV AC
n
n
Gabarit fréquentiel de traction
Norme (UM71) : harmoniques rejetées sur la
caténaire ne doivent pas perturber les signaux de
signalisation et de télécommunication (1,7, 2, 2,3 2,6
kHz)
n
Log
(Amplitude)
(A)
Translation verticale des gabarits en
fonction de la capacité des installations
fixes de traction électrique à fournir la
puissance demandée
≈ 650 A
Gabarit « LGV »
Gabarit
lignes classiques
≈ 390 A
≈2à4A
Normes CEM : EN 50 121, compatibilité avec les
réseaux téléphoniques (F<5kHz)
Ipso =
∑p
f
I h2
pf poids de l’harmonique,
h : rang d’harmonique
0 50 Hz
f ≥ 1500 Hz
≈ 3000 Hz
Fréquence
(Hz)
L’onduleur de traction
n
n
n
n
Assurer le couple de traction optimal sur toute la plage de vitesse
Réponse rapide aux variations de charge (patinage, enrayage,
décollement de pantographe)
Contrôle vectoriel puis de type MLI selon la vitesse
Gestion du freinage
À faible vitesse :
contrôle vectoriel
À moyenne et grande
vitesse : contrôle scalaire
Stratégies de MLI multiple
•Vectorielle
•Synchrone
•calculée
À vitesse maxi : commande pleine onde
Fd=160Hz
Cm=k.g
L’onduleur de traction : contraintes d’usage
n
n
n
Robustesse de commande vis-à-vis de :
n Variations de la tension de bus DC
n Décollement de pantographe : l’onduleur est inhibé pour réduire la
surintensité sur la caténaire lors du recollement
n Contrôle des courants statoriques et de la tension de bus DC
Surveillance des IGBT pour prévenir toute défaillance
Assurer la protection de la mécanique et du bus DC en cas de courtcircuit asymétrique (Ccc~5 à 7 Cn) : symétrisation du court-circuit
L’onduleur de traction : technologie IGBT
Module onduleur à IGBT 3300V,
1200A
Module onduleur à
IGBT 3300V, 1200A,
redresseur MLI +
hacheur de freinage
n
Module onduleur : connectique+condensateurs de
filtrage, refroidi par plaque à eau (puis échangeur
eau/air)
Le redresseur MLI
n
n
But : minimiser les harmoniques injectées sur la caténaire
à courant absorbé quasi- sinusoïdal et en phase avec la tension
en pratique : cos(ϕ)>0,95 pour P<Pmax/4
Gestion de la réversibilité de puissance en phase de freinage
Principe
Mise en phase du courant I2
et de la tension U2 par
réglage du déphasage de la
tension onduleur V2
L=0,85mH
In=42A
Idc=585A
I2=1110A
Onduleur
U2
Vdc=1800V
V2=995V
Vn=25kV
m=38 10-3
I2=1110A
U2=950V
φ=17,3°
Lω.I2=295V
V2=995V
MLI intersective à doublement de fréquence
Fdec=450Hz, soit 900Hz apparent
Le redresseur MLI : structure et rôle
n
n
n
n
Onduleur monophasé MLI : réversible en puissance pour le freinage
Exploitation de l’inductance de fuite du transformateur
(transformateur à fuite, Ucc=30 à 45% Un, L=0,85mH)
Ondulation de la tension DC à 2Frés=100Hz
à risque de battement avec fréquence onduleur lorsque la fréquence
de traction est proche de 100Hz, excitation TBF de la mécanique
à filtre résonant à 2Frés sur le bus DC : L=507µH, C=5mF
L’onduleur permet de compenser les harmoniques de courant à 150Hz
(en cas de cohabitation avec des machines à redresseurs commandés)
àévite un échauffement supplémentaire du transformateur
K1 , K2
i s (t )
ul (t )
Harmoniques de la forme :
ic (t )
u l (t )
L
−
C
u s (t )
(2kn ± (2 p + 1)) f s
+
Impédance de
fuite du TFP
uc (t )
u s (t )
X
u c (t )
Fonction de
modulation
du PMCF
i s (t )
Impédance
d’entrée du
bus continu
i c (t )
X
Structure et modèle
Harmoniques de la
forme :
2( kn ± q ) f s
Le redresseur MLI : réduction des harmoniques
Principe : entrelacement des redresseurs MLI
Décalage des porteuses de T/2n (à cause de la MLI à
doublement de fréquence)
f m (t ) = m sin ω s t
+
+∞
∑
h =1
+∞
4(−1) h
hπ
hπm
[cos
[ J 2 p +1 (
)
2 p =0
2
πh
∑
× (sin( nh + 2 p + 1)ω s t − sin( nh − 2 p − 1)ω s t ]]
m : taux de modulation
N : indice de modulation (rapport fd/fs)
f(t) : fonction de modulation
ωs : pulsation de modulation
h et p entiers
Rangs d’harmoniques :
2kf d ± (2 p + 1) f s = (2kn ± (2 p + 1) f s
Redresseur MLI : réduction d’harmoniques
BB 36000
1000
Valeur efficace (A)
100
10
1
BB 36000
0,1
0,01
0,001
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
Fréquence (Hz)
Exemple de contrôle d’harmonique par entrelacement de PFC, cas de la BB36000, 4
PFC MLI à doublement de fréquence Fdec=300Hz à 1er harmoniques centrés
autour de 2400Hz
Auxiliaires : réseau de bord
n
Deux réseaux de bord :
n
n
n
à fréquence fixe 380V/50Hz
À fréquence variable pour les charges à vitesse variable, réduction de bruit
des auxiliaires tournants à basse vitesse (ventilateurs)
Charge de batterie 110 Vdc, 8 kW :
onduleur à point milieu capacitif,
transformateur d’adaptation de tension et redresseur IGBT 1200V 100A à 10kHz
• Hacheur abaisseur 1800à540V, Fd=600Hz
• Onduleur à Fs=50Hz, MLI calculée 7 angles,
95kVA, ρ=85%
• Onduleur à Fs variable (Fsmin=12,5Hz)
• IGBT onduleurs : 1200V 200A
• Protection par thyristor crow-bar